Pracoviště pro testování elektromagnetické kompatibility
Bakalářská práce
Studijní program: B2612 – Elektrotechnika a informatika
Studijní obor: 2612R011 – Elektronické informační a řídicí systémy Autor práce: Aleš Jerie
Vedoucí práce: Ing. Lubomír Slavík, Ph.D.
The workplace for electromagnetic compatibility tests
Bachelor thesis
Study programme: B2612 – Electrical Engineering and Informatics
Study branch: 2612R011 – Electronic Information and Control Systems
Author: Aleš Jerie
Supervisor: Ing. Lubomír Slavík, Ph.D.
Zadání bakalářské práce
Pracoviště pro testování
elektromagnetické kompatibility
Jméno a příjmení: Aleš Jerie Osobní číslo: M16000079
Studijní program: B2612 Elektrotechnika a informatika Studijní obor: Elektronické informační a řídicí systémy Zadávající katedra: Ústav mechatroniky a technické informatiky Akademický rok: 2018/2019
Zásady pro vypracování:
1. Popište pojem EMC, rozdělení a význam pro dnešní dobu.
2. Určete normy, dle kterých je třeba testovat EMC (EMI i EMS).
3. Navrhněte a realizujte pracoviště pro testování EMS (odolnost proti EFT/BURST, power fail) a ESD.
Rozsah grafických prací: dle potřeby dokumentace Rozsah pracovní zprávy: 30–40 stran
Forma zpracování práce: tištěná/elektronická
Seznam odborné literatury:
[1] Svačina J.: Elektromagnetická kompatibilita. Skripta FEKT VUT Brno, 2002.
[2] Vaculíková P., Vaculík E.: Elektromagnetická kompatibilita elektrotechnických systémů. Grada Publishing, Praha 1998, ISBN 8071695688.
[3] Kaňuch J., Kováč D., Kováčová I.: EMC z hlediska teorie a aplikace, BEN 2011, ISBN 978-80-7300-317-3.
Vedoucí práce: Ing. Lubomír Slavík, Ph.D.
Ústav mechatroniky a technické informatiky Konzultant práce: Ing. Miroslav Novák, Ph.D.
Ústav mechatroniky a technické informatiky Datum zadání práce: 10. října 2018
Předpokládaný termín odevzdání: 30. dubna 2019
L. S.
prof. Ing. Zdeněk Plíva, Ph.D.
děkan
doc. Ing. Milan Kolář, CSc.
vedoucí ústavu
Prohlášení
Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vzta- huje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé bakalářské práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li bakalářskou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto pří- padě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vyna- ložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé bakalářské práce a konzultantem.
Současně čestně prohlašuji, že texty tištěné verze práce a elektronické verze práce vložené do IS STAG se shodují.
24. 4. 2019 Aleš Jerie
Abstrakt
Tato práce obsahuje problematiku testování elektromagnetické kompatibility, přehled českých norem a popis vybudované labora- toře. V první části je uvedena teorie o EMC. Další kapitola je vě- nována českým normám, které jsou převzaté z evropských norem, pro testování elektromagnetického rušení a elektromagnetické odol- nosti. V další části je popsáno úspěšné vybudování laboratoře pro testování odolnosti proti elektrostatickému výboji (ESD), rychlým přechodovým jevům (EFT/B), rázovému impulzu, krátkodobým poklesům napětí, krátkým přerušením napětí a pomalým změnám napětí. Tyto testy vycházejí ze skupiny norem ČSN EN 61000-4. Ke konci práce jsou popsána zařízení v této laboratoři. Mezi tato za- řízení patří simulátor elektrostatického výboje, generátor rychlých přechodových jevů a rázových impulzů, variak, kapacitní vazební kleště a vazební a oddělovací síť.
Klíčová slova: EMC, elektromagnetická kompatibilita, rušení, odolnost, norma, elektrostatický výboj, rychlé přechodové jevy, rá- zový impulz, pokles napětí, přerušení napětí, změny napětí, kvalita napájení
Abstract
This thesis deals with electromagnetic compatibility, review of Czech standards and laboratory specification. First part describes EMC theory. Next chapter deals with Czech standards of electro- magnetic interference and electromagnetic susceptibility which were taken over from European standards. Main part focuses on successful build of laboratory which is capable testing resistan- ce against electrostatic discharge (ESD), electrical fast transients (EFT/Burst), surge, voltage dips, short voltage interruptions and voltage variations. These tests come from group of standards called ČSN EN 61000-4. Finally the thesis lists all the devices used in the laboratory. These devices are ESD simulator, multifunctional gene- rator of electrical fast transients, variac, capacitive coupling clamp and coupling - decoupling network (CDN).
Keywords: EMC, electromagnetic compatibility, interference, susceptibility, standard, electrostatic discharge, electrical fast tran- sient, burst, surge, voltage dips, short interruptions, voltage vari- ations, power quality
Poděkování
Rád bych poděkoval rodině a přítelkyni za podporu při studiu a zpracování této práce. Déle bych chtěl poděkovat vedoucímu práce Ing. Lubomíru Slavíkovi Ph.D. za konzultace a rady při vytváření této práce.
Obsah
Seznam obrázků. . . 9
Seznam zkratek . . . 10
Úvod 11 1 Elektromagnetická kompatibilita 12 1.1 Základní dělení EMC . . . 12
1.1.1 Elektromagnetická susceptibilita . . . 13
1.1.2 Elektromagnetická interference . . . 13
1.1.3 Základní pojmy EMC . . . 14
1.2 Rušivé signály . . . 15
1.2.1 Rozdělení rušivých signálů . . . 15
1.2.2 Typy a zdroje rušivých signálů . . . 15
1.3 Vazební mechanismy . . . 17
1.3.1 Galvanická vazba . . . 17
1.3.2 Kapacitní vazba . . . 19
1.3.3 Induktivní vazba . . . 20
1.3.4 Vazba vyzařováním . . . 20
2 Normy o EMC 22 2.1 Instituce zabývající se normami o EMC . . . 22
2.2 Dělení norem . . . 22
2.3 Přehled norem . . . 23
2.3.1 Všeobecné normy (EMC Standards) . . . 23
2.3.2 Normy elektromagnetického rušení (Emission standards) . . . 24
2.3.3 Normy odolnosti proti rušení (Immunity standards) . . . 24
2.4 Normalizované metody pro testy EMS podle ČSN EN 61000-4 . . . . 25
2.4.1 ČSN EN 61000-4-1 Přehled zkoušek odolnosti. Základní nor- ma EMC . . . 25
2.4.2 ČSN EN 61000-4-2 Elektrostatický výboj - Zkouška odolnosti 25 2.4.3 ČSN EN 61000-4-3 Vyzařované vysokofrekvenční elektromag- netické pole - Zkouška odolnosti . . . 27
2.4.4 ČSN EN 61000-4-4 Rychlé elektrické přechodné jevy/skupiny impulzů – Zkouška odolnosti . . . 27
2.4.5 ČSN EN 61000-4-5 Rázový impulz – Zkouška odolnosti . . . . 28
2.4.6 ČSN EN 61000-4-6 Odolnost proti rušením šířeným vedením,
indukovaným vysokofrekvenčními poli . . . 28
2.4.7 ČSN EN 61000-4-8 Magnetické pole síťového kmitočtu - Zkouška odolnosti . . . 29
2.4.8 ČSN EN 61000-4-11 Krátkodobé poklesy napětí, krátká pře- rušení a pomalé změny napětí - Zkoušky odolnosti . . . 29
3 Realizace pracoviště 31 3.1 Laboratorní stůl . . . 31
3.2 Potřebné doplňky laboratorního stolu . . . 31
3.3 Přístroje v laboratoři . . . 33
3.3.1 Simulátor elektrostatického výboje . . . 33
3.3.2 Multifunkční generátor rušení . . . 34
3.3.3 Variak . . . 34
3.3.4 Kapacitní vazební kleště . . . 35
3.3.5 Vazební a oddělovací síť . . . 36
4 Testování průtokoměru EESA 37 4.1 Testy ESD. . . 37
4.2 Testy EFT/Burst . . . 38
4.3 Testy rázového impulzu (surge) . . . 40
4.4 Testy kvality napájení . . . 42
Závěr 44
Použitá literatura 45
Seznam obrázků
1.1 Základní řetězec EMC . . . 12
1.2 BiLog anténa Teseq [3] . . . 13
1.3 Obrázek k vysvětlení základních pojmů [1] . . . 14
1.4 Časový průběh proudu při výboji blesku . . . 17
1.5 Typy elektromagnetických vazeb . . . 18
1.6 Feritový filtr na napájecím kabelu . . . 18
1.7 Příklad kabelového vedení . . . 21
2.1 ESD simulátor s oblým hrotem . . . 26
3.1 Pracoviště pro testování EMS na TUL . . . 32
3.2 Simulátor elektrostatického výboje[12] . . . 33
3.3 Multifunkční generátor rušení[13] . . . 34
3.4 Variak ze zadní strany . . . 35
3.5 Kapacitní vazební kleště[15] . . . 36
3.6 Vazební a oddělovací síť . . . 36
4.1 Příklad chyby zařízení . . . 37
4.2 Testování průtokoměru EESA výbojem vzduchem . . . 38
4.3 Testování průtokoměru EESA výbojem na svislou vazební desku . . . 38
4.4 Testování odolnosti zařízení vůči EFT/B . . . 39
4.5 Část protokolu z testování EFT/B . . . 39
4.6 Změřený impulz EFT/B 1 kV . . . 40
4.7 Měření náběžné hrany Surge 500 V . . . 41
4.8 Měření trvání Surge 500 V . . . 41
4.9 Měření poklesu na 40 % po dobu 10 period. . . 42
4.10 Měření poklesu na 70 % po dobu 25 period . . . 43
4.11 Měření výpadku jedné poloviny periody . . . 43
Seznam zkratek
TUL Technická univerzita v Liberci
FM Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Technické univerzity v Liberci
EMC Elektromagnetická kompatibilita EMI Elektomagnetická interference EMS Elektromagnetická susceptibilita
EUT Equipment under test (Zkoušené zařízení) DUT Device under test (Zkoušené zařízení)
PWM Pulse width modulation (Pulzně šířková modulace)
LEMP Lightning electromagnetic pulse (Elektromagnetický pulz při bouřce) ESD Electrostatic discharge (Lokální elektrostatický výboj)
EFT Electrical fast transient (Rychlé přechodové jevy)
IEC International Electrotechnical Commission (Mezinárodní elektrotech- nická komise)
ISO International Organization for Standardization (Mezinárodní organi- zace pro normalizaci)
CISPR Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (Výbor pro radiovou interferenci)
ČSN Česká technická norma
EN Evropská norma
CEN Comité Europeén de Normalisation (Evropská komise pro normali- zaci)
CENELEC Comité Europeén de Normalisation en Electrotechnique (Evropská komise pro normalizaci v elektrotechnice)
ČNI Český normalizační institut
VCP Vertical Coupling Plane (Svislá vazební deska)
CDN Coupling-Decoupling Network (Vazební a oddělovací obvod)
PVC Polyvinylchlorid (plast pro výrobu podlahových krytin a dalších vý- robků)
PC Personal Computer (Osobní počítač)
USB Universal Serial Bus (Univerzální sériová sběrnice)
GTEM Gigahertz Transverse Electro-Magnetic (Odstíněná měřicí komora)
Úvod
V této bakalářské práci se zabývám problematikou testování elektromagnetické kom- patibility. Cílem bylo seznámit se s metodami testování EMC, standardizací testová- ní a následně navrhnout a vytvořit pracoviště, které by mohlo sloužit pro testování EMC. Důležitost elektromagnetické kompatibility v dnešní době stále roste, protože se stále zvyšují taktovací frekvence. Napětí jsou stále nižší a konstrukce zařízení stále menší. Z těchto důvodů je elektromagnetická odolnost těchto zařízení stále nižší. Hlavním cílem práce bylo vytvořit pracoviště pro testování elektromagnetické odolnosti proti elektrostatickému výboji, rychlým přechodovým jevům, rázovému impulzu a nestabilitou napájení z rozvodné sítě. Elektrostatický výboj vzniká napří- klad nabitím oblečení ze syntetických materiálů. Vznik rychlých přechodových jevů je v praxi způsoben například spínáním stykačů. Rázový impulz vzniká v důsledku přechodových jevů v síti nebo v atmosféře. Poklesy v rozvodné síti vznikají velkým zatížením sítě.
1 Elektromagnetická kompatibilita
Elektromagnetická kompatibilita je vyžadována od každého elektrického zařízení.
Pokud je zařízení elektromagneticky kompatibilní, tak odolává působení ostatních přístrojů a zároveň neovlivňuje jiný objekt včetně sebe samého.[1]
1.1 Základní dělení EMC
Elektromagnetická kompatibilita se skládá ze dvou částí, kterými jsou elektromag- netická susceptibilita a elektromagnetická interference.
Při zkoumání výsledků EMC se využívá takzvaný základní řetězec EMC. Tento řetězec se skládá ze tří částí. První částí je zdroj rušení, další částí řetězce je přeno- sové médium, kterým je obvykle vzduch nebo vodič. Poslední částí je vlastní rušený objekt.[1]
Obrázek 1.1: Základní řetězec EMC
Zdroj rušení může být přírodní nebo umělý. Přírodním zdrojem bývá úder blesku, vesmírné záření nebo třeba sluneční aktivita. Umělé rušení je rušení, které vzniklo díky lidské činnosti. Například vysílače elektromagnetických vln, elektrické pohony, distribuce elektrické energie, spínané zdroje atd.
Přenosové prostředí je tvořeno vzdušným prostorem, kabely, stíněním, ocelovými konstrukcemi atd. Zabývá se nejen prostředím, ale i vazbami mezi zdrojem rušení a rušeným objektem.
Rušený objekt je každé elektrické zařízení. V této části zkoumáme vliv různých rušivých signálů na testované zařízení.
Problematika šíření rušení je značně složitější než znázorňuje obrázek 1.1 Určitá část zařízení může být zdrojem rušení pro další část stejného zařízení. Tato vlastnost může způsobit kompletní nefunkčnost zařízení.
1.1.1 Elektromagnetická susceptibilita
Elektromagnetická susceptibilita je schopnost zařízení pracovat správně v prostředí, ve kterém působí různé elektromagnetické signály, proto se také někdy nazývá elek- tromagnetickou odolností. Tyto signály mohou být přírodní nebo umělé. Následné abnormální stavy se v praxi simulují různými metodami, které jsou přesně definová- ny v normách věnovaných elektromagnetické kompatibilitě. Zařízení je vystavováno různým stavům, které by teoreticky mohly nastat, a sleduje se reakce zařízení na tento stav.
1.1.2 Elektromagnetická interference
Elektromagnetická interference je míra elektromagnetického rušení, které může dané zařízení vyzařovat, aby vlastní činností nenarušovalo činnost dalších zařízení. V této části se měří intenzita elektrického nebo magnetického pole.
Způsoby testování EMI
Měření elektromagnetického rušení je prováděno pomocí antén. Antény mo- hou být různých konstrukcí. Standardně se pro měření ve frekvenčním rozsahu 30 Mhz až 1 Ghz používají bikonické antény (30 Mhz-300 Mhz) a log-per anté- ny (200 MHz–2 Ghz). Tyto 2 druhy antén velmi dobře pokrývají celé frekvenční pásmo. Případně lze použít méně přesnou anténu BiLog, která umožňuje pokrýt celé frekvenční pásmo. Vzdálenost antény od testovaného zařízení je přesně daná normou. Tato vzdálenost je standardně 1, 3, 10 nebo 30 m. Vzdálenost od země by měla být proměnná, protože při měření vždy hledáme ten nejhorší možný stav, který může nastat.[2]
Obrázek 1.2: BiLog anténa Teseq [3]
1.1.3 Základní pojmy EMC
Veškeré pojmy zmíněné v této části jsou definovány v normě ČSN-IEC 1000-1-1.
• Úroveň vyzařování je množství vyzařovaného rušení zařízení udávané v dBm v závislosti na frekvenci, které je měřené předepsaným způsobem.
• Mez vyzařování vyjadřuje maximální povolenou úroveň vyzařování danou normami.
• Rezerva návrhu z hlediska EMI je rozdíl mezi úrovní vyzařování a mezí vyzařování.
• Úroveň odolnosti je maximální úroveň rušení, při kterém ještě nedochází ke změně funkčnosti zařízení.
• Mez odolnosti je křivka určující minimální požadovanou hodnotu úrovně odolnosti.
• Rezerva návrhu z hlediska EMS je rozdíl mezi úrovní odolnosti a mezí odolnosti.
• Rezerva EMC je rozdíl mezi mezí odolnosti a mezí vyzařování.
• Kompatibilní úroveň je úroveň definována normou, při které by zařízení ještě mohlo správně pracovat
• Rezerva vyzařování je rozdíl mezi Kompatibilní úrovní a mezí vyzařování.
• Rezerva odolnosti je rozdíl mezi Kompatibilní úrovní a mezí odolnosti.
Obrázek 1.3: Obrázek k vysvětlení základních pojmů [1]
1.2 Rušivé signály
1.2.1 Rozdělení rušivých signálů
Přirozené zdroje rušení jsou neovlivnitelné. Vznikají bez lidského přičinění a z to- hoto důvodu nelze zabránit jejich vzniku. Zbývá pouze předcházet jejich následkům.
Zdroje rušení se dělí na funkční a parazitní. Funkční zdroje rušení při svém provozu musí nutně vyzařovat rušení (např. vysílače). Pro parazitní zdroje je rušení parazitním jevem a toto záření není nutné k provozu.
Zdroje lze dělit podle časového průběhu rušivého signálu. Rušivé signály tedy dě- líme na spojité, které působí nepřetržitě. Opakem spojitých signálů jsou impulzní signály, které jsou tvořeny řadou impulzů. Další kategorií jsou kvazi-impulzní, kte- ré vznikají kombinací spojitých a impulzních signálů. Ve skutečnosti se do zařízení dostává velké množství různých druhů rušivých signálů, které se různě sčítají a od- čítají. Dalším problémem je rozhodnout jak dlouhou dobu působení signálu sleduje- me, proto je většinou velmi náročné rozhodnout zda jde o spojité či impulzní rušení.
Z těchto důvodů byla charakteristika těchto poruch určena normou (ČSN EN 55014).
Tato norma definuje mžikovou poruchu jako poruchu kratší než 200 ms a čas mezi další mžikovou poruchou alespoň 200 ms.Pokud je čas mezi poruchami nižší, nebo je porucha další než 200 ms, tak se signál považuje za spojitý. Dalším důležitým intervalem je četnost mžikových poruch, která se měří v normou stanoveném čase 2 s. Pokud v tomto čase nastane více než 2 mžikové poruchy, tak se signál považuje za spojitý.
Dalším parametrem, který nás u signálu zajímá, je šířka obsazení frekvenčního pásma. Podle tohoto parametru se rušivé signály dělí na úzkopásmové, které lze relativně snadno odstranit použitím vhodného filtru, a širokopásmové, které pro- dukuje většina průmyslových systémů. Úzkopásmové rušení je obvykle produktem užitečných signálů, tedy různých rozhlasových a televizních vysílačů atd.
S ohledem na frekvenci můžeme signály rozdělit na nízkofrekvenční a vyso- kofrekvenční. Nízkofrekvenční signály jsou signály s frekvencí nižší než 10 kHz.
Zdrojem tohoto rušení jsou energetické systémy, radary atd. Rušení vzniká v pod- statě připojením každé nelineární zátěže do rozvodné soustavy. Tímto nelineárním zatížením vzniká deformace sinusového průběhu napětí, která vadí některým zaří- zením, jako jsou například sdělovací systémy. Vysokofrekvenční rušení se podle Radiokomunikačního řádu nachází v pásmu od 10 kHz do 400 Mhz. Zdrojem těchto rušení je téměř každé zařízení.
Rušivý signál se může šířit po vedení nebo vzduchem. V praxi se signál obvykle šíří oběma způsoby, ale jeden ze způsobů převažuje. Z této skutečnosti vychází další dělení na zdroje rušení šířených vedením a zdroje rušení šířených vyzařo- váním.[1]
1.2.2 Typy a zdroje rušivých signálů
Důležitou oblast zastávají rušivé signály harmonické složky síťové frekvence 50 Hz.
Častým zdrojem tohoto rušení jsou polovodičové frekvenční měniče velkých výkonů.
Tyto měniče vytváří rušení až do frekvencí 30 Mhz. Mimo průmysl tuto oblast vel- mi zarušují spínané zdroje, které jsou dnes součástí téměř každého zařízení. Rušivá napětí v rozvodné síti mohou mít řadu různých podob. Typické jsou rušení jako vysokofrekvenční impulzy, přepětí a podpětí, harmonické složky(změna si- nusového tvaru), nebo například výpadky napájení, kdy vypadne třeba i celá perioda napájení. Tato rušení se mohou samozřejmě různě kombinovat.
Vysokonapěťové pulzy vznikají při činnosti stykačů v síti nízkého napětí. Tyto pulzy mají velkou strmost a velké napětí. Náběžná hrana takového pulzu je jen několik nanosekund a napětí je v jednotkách kV. Pro skupinu takovýchto pulzů se používá anglické označení burst.
Velkým zdrojem rušení jsou diodové usměrňovače a hlavně tyristorové ří- zení. Největší rušení vytvářejí zařízení s velkým výkonem, jako například tramvaje a lokomotivy. Při připojení bez filtračních prvků by bylo rušení tak velké, že by mohlo způsobit plošný výpadek sítě.
Rušení se v síti vyskytuje i díky motorům s kartáči. V tomto případě vzniká rušení při jiskření na kartáčích rotoru. Vysoké napětí, které vzniká lze odstranit zapojením kondenzátoru přímo mezi kartáče motoru.
Dalším velkým příspěvkem v rušení sítě jsou spínané zdroje. Tyto zdroje vy- zařují široké spektrum rušení, které se mění v závislosti na odebíraném proudu, protože regulace je tvořena pomocí PWM.
Silným zdrojem rušení je rozvod vysokého napětí a velmi vysokého napětí.
V těchto rozvodech vznikají korónové a kapacitní výboje. Druhé zmíněné vytvá- řejí rušení až 1 GHz.
Přepětí v elektrické rozvodné síti může vzniknout přírodně (např. úder blesku) nebo uměle (např. spínání stykače). Odolnost zařízení proti přepětí se snižuje, pro- tože integrované obvody jsou stále menší a složitější. Tyto součástky dokáže zničit napětí pouze několik jednotek voltů. Dnešní výpočetní výkon se stále zvyšuje i díky taktovací frekvenci. Cenou za takto zvyšující výpočetní výkon je nižší odolnost proti rušení.
Výboj blesku (LEMP)
Důsledky úderu blesku působí na elektrická zařízení do vzdálenosti asi 4 km. Tento výboj může být pro mnoho zařízení destruktivní. Proud tekoucí atmosférou může být až 200 kA a rušení způsobené tímto výbojem je až 140 dBµV v pásmu 2 až 30 kHz. Impulzy vznikající bleskem se vyznačují velmi strmou náběžnou hranou a pomalejším poklesem.[1]
Umělé zdroje přepětí
Umělé zdroje přepětí jsou prakticky všechna zařízení, která něco spínají.
Kvůli snížené odolnosti dnešních zařízení se stává důležitým zdrojem přepětí lokální elektrostatický výboj (ESD). Tento výboj vzniká vybitím náboje, který vzniká třením. Každý zažil situaci, že při svlékání svetru člověku vstávají vlasy, nebo například vybití náboje o kliku u dveří nebo zábradlí. Elektrostatický výboj
dosahuje napětí až 15 kV, ale energie tohoto výboje je velmi malá (10–20 mJ). Ideální obranou proti tomuto výboji je vysoká vlhkost vzduchu, nepoužívání syntetických tkanin a podlah s vysokým izolačním odporem (umělá hmota). Případně lze využívat antistatických materiálů. Tento výboj má velmi rychlý průběh. Náběžná hrana je asi 1 ns a celý průběh trvá jen několik desítek nanosekund.
Obrázek 1.4: Časový průběh proudu při výboji blesku
Zdroje spojitého rušení
Těmito zdroji jsou hlavně rozhlasové a televizní vysílání. Dále je to bezdrátový přenos dat (např. standard Wi-Fi), mobilní sítě, GPS atd.
Speciální zdroje rušení
Speciálním zdrojem rušení je například nukleární elektromagnetický impulz, který vzniká při výbuchu jaderné hlavice. Tento impulz je mnohem ničivější než výboj blesku. Dosah nukleárního impulzu je až 1000 km a náběžná hrana je asi 50x kratší než při výboji blesku.[1]
1.3 Vazební mechanismy
Tato část práce vypovídá o vazebních mechanismech, které se mohou objevit v pře- nosovém prostředí, tedy mezi zdrojem rušení a přijímačem rušení. Z fyzikálního hlediska můžeme vazby rozdělit na galvanickou, kapacitní, induktivní a vazbu vy- zařováním.
1.3.1 Galvanická vazba
Galvanická vazba je vazba, kdy jsou zařízení přímo spojeny přes impedanci. Tato impedance je nejčastěji tvořena sériovým RL obvodem. Tato impedance se nachází například na společném napájecím vodiči obou zařízení. V oblasti nižších kmitočtů
Obrázek 1.5: Typy elektromagnetických vazeb
(zhruba do 1 Mhz) má větší vliv odporová část impedance. Imaginární část impe- dance má vliv při vysoké frekvenci. Tato část může navíc rezonovat s kapacitami v obvodech a následně způsobovat velké rušení.
Zemní smyčka
Zemní smyčka vzniká uzemněním systémů v různých místech. Mezi těmito zemnícími body vzniká zemní napětí, které je způsobeno náhodnými zemními proudy. Toto napětí následně vyvolá rušivé napětí v zařízení.
Zemní smyčku nelze zcela odstranit. Její negativní vlastnosti lze utlumit zvýše- ním impedance smyčky. Například můžeme do smyčky sériově vložit kondenzátor, který utlumí nízké frekvence. Smyčku můžeme přerušit oddělovacím transformáto- rem, který je ale velký a finančně nákladný. Nejpoužívanějším způsobem je použití feritového filtru, který pohlcuje frekvence nad 1 Mhz. Dalšími možnostmi jsou op- točlen nebo přenos dat pomocí optického kabelu.
Obrázek 1.6: Feritový filtr na napájecím kabelu
Zásady návrhu pro zamezení galvanických vazeb
• Dostatečně dimenzovat společné zemnění zařízení
• Spojovat zemnění zařízení přímou cestou ke společnému zemnění
• Neslučovat společný vodič signálových signálů
• Vytvářet pro každý blok vlastní napájení (neslučovat)
• Různé technologie (např. digitální technika, operační zesilovače, reléová logika) opatřit vlastními napájecími zdroji
• Galvanicky oddělit logické a výkonové obvody (např. optočlen, relé)
1.3.2 Kapacitní vazba
Kapacitní vazba je dána parazitními kapacitami mezi vodiči, konstrukčními prvky a ostatními částmi obvodu. Kapacita je větší při větší ploše vodivých ploch, z toho- to důvodu nastává problém při paralelním vedení vodičů a vodivých drah na desce plošného spoje. V praxi nastává velké množství různých kapacitních vazeb, ale pro- blematické jsou především 3 z nich.
Kapacitní vazba galvanicky oddělených obvodů
Tato vazba vzniká na galvanicky oddělených obvodech, které mají vodivé části ob- vodu blízko u sebe. První z obvodů uvažujme jako rušící. Tento obvod má 2 napájecí vodiče. Vodič vedoucí od zdroje ke spotřebiči ruší přes kapacitní vazbu oba vodiče rušeného zařízení. Vodič rušicího obvodu, který vede od spotřebiče ke zdroji, opět ruší oba vodiče rušeného zařízení. V prostoru nám tedy vznikají 4 kondenzátory, přes které se přenáší rušení. Tyto vazby lze omezit zakroucením obou párů vodi- čů (rušeného i rušicího zařízení). Pokud není tato varianta možná, tak zakroutíme alespoň vodiče rušeného zařízení. Toto zakroucení má smysl i u omezení induktivní vazby. Další možností omezení této vazby je zvětšení vzdálenosti mezi těmito ob- vody, ale tato varianta dost často není možná. Kdybychom vytvořili vodivé stínění kolem rušicího vedení a připojili ho ke vztažnému potenciálu a totéž vytvořili na rušeném obvodu, tak se kapacitní vazba mezi těmito obvody velmi omezí. Aby bylo toto stínění účinné, je dobré mít co nejvyšší kapacitu mezi vodiči rušeného obvodu.[1]
Kapacitní vazba mezi systémy se společným vodičem
Tento druh kapacitní vazby vzniká například ve vícežilovém kabelu nebo v čísli- cových obvodech. Toto rušení je větší, když je v obvodech vyšší frekvence. Právě u číslicových systémů je tento problém dost značný, protože používané frekvence jsou velmi vysoké.
Metody snížení této vazby jsou obdobné jako u kapacitní vazby galvanicky od- dělených obvodů. Tedy je vhodné co nejvíce zkrátit paralelní vedení vodivých drah a zároveň tyto dráhy umístit co nejdál od sebe, aby vznikla co nejnižší kapacita mezi
rušicím a rušeným vodičem. Naopak kapacitu mezi rušeným vodičem a společným vodičem se snažíme vytvořit co nejvyšší. Toho lze docílit přiblížením nebo zkrou- cením těchto vodičů. Nižší vazba je i v případě pokud je impedance mezi rušeným vodičem a společným vodičem co nejnižší. Vytvářet systémy s tak nízkou frekvencí, aby postačila na funkci zařízení. Vytvořit stínění připojené ke společnému potenciálu mezi rušeným a rušicím vodičem.
Kapacitní vazba vůči zemi
Tato vazba je způsobena kapacitou mezi zemí a částí zařízení (například vodiči).
Kvůli různým zemním potenciálům vzniká mezi těmito body rušivý proud, který je touto vazbou přenášen do rušeného zařízení.
Odstranit tuto vazbu lze použitím stínění kolem vodičů, které se připojí k zemní- mu potenciálu. Toto stínění by mělo dokonale odstínit rušení, ale v praxi toto rušení zcela neodstraní, protože stínění nebude dokonale vodivé. Vysoké frekvence rušení budou méně potlačeny.
1.3.3 Induktivní vazba
Při průchodu proudu, vzniká kolem vodiče magnetické pole. Průběh intenzity tohoto pole odpovídá průběhu proudu, který protéká vodičem. Pokud se vodič nachází v proměnném magnetickém poli, tak dochází k elektromagnetické indukci. Velikost indukovaného napětí je dána Faradayovým zákonem.
Ur =−dΦ
dt ≈ −∆Φ
∆t =−S∆B
∆t =−µ0· S∆H
∆t (1.1)
Tato vazba je nebezpečná obzvlášť při vysokých frekvencích a velkých hodno- tách proudu. Tyto vlastnosti má výboj blesku nebo elektrostatický výboj (ESD).
Indukované rušení je často příliš vysoké.
Pro utlumení induktivní vazby je vhodné snížit délku souběžných vodičů na minimum, vzdálit vodiče co nejdál od sebe. Způsobem omezení vazby je i zmenšení proudové smyčky. Další způsoby jsou podobné způsobům omezení kapacitní vazby.
Lze vytvořit závit nakrátko, zkroutit vodiče, natočit vazební smyčky o 90°, nebo stíněním obvodu přijímače. Tyto způsoby lze samozřejmě různě kombinovat pro co nejlepší možný výsledek (například zakroutit a vícenásobně stínit).
Z předchozích částí plyne problematika při návrhu kabelových vedení v budo- vách, kde jsou dlouhé úseky s paralelně vedenými vodiči. Z tohoto důvodu se kabely v budovách vedou žlaby, které tvoří stínění určitých skupin kabelů. Například kabely určené pro napájení se musí vést v jiných částech než sdělovací kabely.
1.3.4 Vazba vyzařováním
Vazba vyzařováním je vazba, která působí na dlouhé vzdálenosti. Obvyklým příkla-
a proto ho nelze odstranit už u zdroje rušení. Přenosovým médiem se šíří elek- tromagnetické pole, které působí rušení. Toto rušení se do zařízení přenáší anténou.
Při působení elektromagnetické vlny se ve vodičích rušeného zařízení indukuje rušivé napětí, které může v některých případech zcela překrýt užitečný signál.
Omezení této vazby lze realizovat pomocí stínění. Část záření se ve stínění pohltí, část se od stínění odrazí a část projde skrz stínění. Jak budou tyto části velké, záleží na mnoha faktorech. Čím bude stínění tlustší, tím méně záření pronikne k zařízení.
Velmi důležitým faktorem je zvolený materiál (jeho elektrická vodivost a relativní permeabilita). Nezáleží ale jen na stínění. Záleží také na frekvenci elektromagnetic- kého záření, které chceme odstínit.
Obrázek 1.7: Příklad kabelového vedení
Při vytváření velkých stíněných zařízení, které zároveň pracují na velkých frek- vencích, hrozí další typ vazby vyzařováním a to vlnovodová vazba. V tomto případě je zdrojem rušení samotné rušené zařízení. V případě, že je nejdelší velikost stínicího krytu větší než dvojnásobek vlnové délky vyzařovaného rušení, tak se rušení odrá- ží od stínění a zůstává v zařízení. Pro představu pro stínění o největším vnitřním rozměru 0,5 metru se šíří rušení o frekvencích vyšších než 300 MHz. Odstranění lze jednoduše provést zmenšením stínění nebo snížením pracovní frekvence zařízení. [1]
2 Normy o EMC
2.1 Instituce zabývající se normami o EMC
Hlavním mezinárodním zdrojem norem věnovaných EMC je Mezinárodní elektro- technická komise IEC. Tato komise spadá pod Mezinárodní organizaci pro norma- lizaci ISO. Část IEC vytvářející normy pro EMC se nazývá výbor pro radiovou interferenci CISPR. Výbor CISPR je jednou z největších mezinárodních autorit v oblasti EMC. Tvůrcem norem je tedy část IEC zvaná CISPR. Od této komise se poté normy přebírají a vznikají evropské normy se zkratkou EN, české normy ČSN a mezinárodní normy ISO. Evropské normy tvoří dvě komise Evropské Unie a to CEN (Evropská komise pro normalizaci) a CENELEC (Evropská komise pro normalizaci v elektrotechnice). V České republice je vytvářením, přebíráním a pře- kládáním norem pověřen Český normalizační institut ČNI.[1][4][5]
Například norma ČSN EN 61000-4-6 je česká norma, která vznikla převzetím z evropské normy se stejným číslem. Tato konkrétní norma je shodná s IEC 1000-4- 6.
2.2 Dělení norem
Základní normy (Basic standards)
Tyto normy určují základní podmínky pro dosažení Elektromagnetické kompatibi- lity. Tyto normy neobsahují žádné konkrétní mezní hodnoty, ani žádné způsoby vyhodnocování.
Kmenové normy (Generic standards)
V těchto normách nalezneme testovací metody a požadované naměřené hodnoty pro všechna technická zařízení.
Předmětové normy (Product standards)
Předmětové normy určují přesné požadavky a testovací metody, které se mají na zařízení použít. Tyto normy musí být v souladu se základními a kmenovými norma- mi.
Vzhledem k tomuto dělení jsou nejdůležitější normy kmenové. Do kmenových norem patří důležitá skupina norem s označením ČSN EN 61000-4-X. Předmětové normy obsahují hodně detailů a následně odkazují na kmenové normy.
Dále leze normy dělit na závazné a doporučující. Závazné normy je nutné dodržet. Pokud zařízení nesplní tyto normy, tak jej nelze prodávat. Oproti tomu doporučující normy mají pouze doporučující charakter. S těmito normami získává výrobce pouze doporučení.[1][6]
Vojenské normy EMC (Military standards)
Tyto normy jsou prvními normami o EMC, které vznikly. Z těchto norem obvykle vznikly normy civilní. Vojenská zařízení jsou vrcholem techniky, a proto jsou nor- my v této oblasti velmi přísné. Hlavně susceptibilita takových zařízení je na velmi vysoké úrovni, aby zařízení odolalo případným pokusům o Elektormagnetický útok.
Vojenské normy používají pro vyhodnocování měření špičkových hodnot (peak de- tection). Oproti tomu normy v civilní oblasti využívají kvazi – špičkové hodnoty (quasi – peak detection). Dalším rozdílem je rozsah měřených frekvencí. Měření pro vojenské účely probíhá v širším frekvenčním rozsahu.
Kromě předchozího dělení lze normy dělit také na všeobecné normy, normy elek- tromagnetického rušení a normy odolnosti proti rušení. Toto dělení nemůže být zcela přesné, protože některé normy se zabývají odolností i vyzařováním.
2.3 Přehled norem
2.3.1 Všeobecné normy (EMC Standards)
Tato kapitola obsahuje seznam Kmenových norem pro EMC.
• ČSN EN 61000-6-1 Kmenové normy - Odolnost - Prostředí obytné, obchodní a lehkého průmyslu
• ČSN EN 61000-6-2 Kmenové normy - Odolnost pro průmyslové prostředí
• ČSN EN 61000-6-3 Kmenové normy - Emise - Prostředí obytné, obchodní a lehkého průmyslu
• ČSN EN 61000-6-4 Kmenové normy - Emise - Průmyslové prostředí
• ČSN EN 61000-6-5 Kmenové normy - Odolnost pro zařízení používané v elek- trárnách a rozvodnách
• ČSN EN 61000-6-7 Kmenové normy - Požadavky na odolnost pro zařízení určené k provádění funkcí v systémech vztahujících se k bezpečnosti (funkční bezpečnost) na průmyslových stanovištích
Tyto normy se zabývají všeobecnými požadavky EMC. Tyto požadavky musí splňovat každé zařízení. Normy stanovují mezní hodnoty ve frekvenčním rozsahu 0 až 400 GHz a vhodné zkušební metody.
Tyto normy se aplikují pouze v případě, kdy neexistuje výrobková norma, nebo norma pro určitou skupinu výrobků.[1][5]
2.3.2 Normy elektromagnetického rušení (Emission standards)
Tyto normy mají základ v normách CISPR 11 až 23. Normy CISPR jsou přebrané do Evropských norem 55000. Normy z této skupiny mají přednost před normami ČSN EN 61000-6-3 a ČSN EN 61000-6-4. Poslední 2 číslice norem označují normu CISPR, která je předlohou určité normy. V těchto normách jsou uvedeny měřicí metody a limity, které zařízení nesmí překročit. V některých normách je poměrně velká skupina zařízení rozdělena do tříd a skupin.
• ČSN EN 55011 Průmyslová, vědecká a zdravotnická zařízení - Charakteristiky vysokofrekvenčního rušení - Meze a metody měření
• ČSN EN 55012 Vozidla, čluny a spalovací motory - Charakteristiky vysoko- frekvenčního rušení - Meze a metody měření pro ochranu přijímačů, které jsou mimo tato zařízení
• ČSN EN 55032 Elektromagnetická kompatibilita multimediálních zařízení - Požadavky na emisi
• ČSN EN 55014 -1 Elektromagnetická kompatibilita – Požadavky na spotřebiče pro domácnost, elektrické nářadí a podobné přístroje – Část 1: Emise
• ČSN EN 55015 Meze a metody měření charakteristik vysokofrekvenčního ru- šení způsobeného elektrickými svítidly a podobným zařízením
• ČSN EN 55020 Rozhlasové a televizní přijímače a přidružená zařízení - Cha- rakteristiky odolnosti - Meze a metody měření
• ČSN EN 50561-1 Zařízení pro komunikaci po vedení používaná v instalacích nízkého napětí - Charakteristiky vysokofrekvenčního rušení - Meze a metody měření - Část 1: Zařízení pro domácí použití
• ČSN EN 50561-3 Zařízení pro komunikaci po vedení používaná v instalacích nízkého napětí - Charakteristiky vysokofrekvenčního rušení - Meze a metody měření - Část 3: Zařízení pracující nad 30 MHz
2.3.3 Normy odolnosti proti rušení (Immunity standards)
V těchto normách nalezneme měřicí metody a hodnoty měření pro měření odolnosti.
• ČSN EN 55014-2 Elektromagnetická kompatibilita – Požadavky na spotřebiče pro domácnost, elektrické nářadí a podobné přístroje – Část 2: Odolnost –
• ČSN EN 55024 Zařízení informační techniky – Charakteristiky odolnosti – Meze a metody měření
• ČSN EN 55103-2 Elektromagnetická kompatibilita – Norma skupiny výrobků audio, video, audiovizuální přístroje a řídicí přístroje zábavního osvětlení pro profesionální užití – Část 2: Odolnost
Mezi důležité normy v oblasti elektromagnetické odolnosti patří řada norem ČSN EN 61000-4 Elektromagnetická kompatibilita (EMC). Část 4: Zku- šební a měřicí technika. Tyto normy mají charakter základních norem, ale obsa- hují podrobný popis různých typů zkoušek. Této řadě norem je věnována kapitola 3.4.
2.4 Normalizované metody pro testy EMS podle ČSN EN 61000-4
Tato část se zabývá přesnými popisy zkoušek odolnosti proti rušení, které se po- užívají na testování zařízení. Postupy pro toto měření vycházejí z norem řady ČSN EN 61000-4 Elektromagnetická kompatibilita (EMC). Část 4: Zkušební a měřicí technika. Tato kapitola obsahuje vybrané typy zkoušek, které jsou důležité, protože na ně často odkazují předmětové normy. Také věnuji velkou pozornost požadovaným testům (ESD, EFT/Burst, SURGE). Normy z této řady jsou obvykle závazné a ně- které zařízení mají problém tyto normy splnit. Největší problémy mívají produkty u norem 61000-4-3 a 61000-4-6. [7]
2.4.1 ČSN EN 61000-4-1 Přehled zkoušek odolnosti. Základní norma EMC
V první normě z této kategorie se nachází přehled jednotlivých zkoušek. Tato norma obsahuje krátký popis jednotlivých zkoušek. Dále obsahuje doporučení jaké zkoušky kdy použít a jaká je předpokládaná úroveň rušení v určitém prostředí a jaký je předpokládaný stupeň odolnosti.
2.4.2 ČSN EN 61000-4-2 Elektrostatický výboj - Zkouška odol- nosti
Druhá z norem se zabývá elektrostatickým výbojem (ESD). Obsahuje metody měře- ní a způsoby vyhodnocování výsledků. Zkouška ESD probíhá tak, že se na jakékoliv místo na zařízení, které je přístupné obsluze, aplikuje elektrostatický výboj. Ob- vykle je tímto místem klávesnice a ovládací prvky, kovové části krytu, které nejsou připojené k zemi, nebo například větrací otvory a signalizační diody. Tyto pozice jsou zahrnuty v protokolu o zkoušce a jsou voleny individuálně.
Amplituda napětí tohoto výboje závisí na požadované úrovni odolnosti. Obvykle se toto napětí pohybuje od 2 do 8 kV. Pokud není možné aplikovat elektrostatický
výboj přímo na zařízení, tak se aplikuje výboj vzduchovou mezerou. Výboj vzdu- chovou mezerou může mít napětí až 15 kV.[8]
Norma zahrnuje ideální tvar impulzu. Například pro elektrostatický výboj o hod- notě napětí 4 kV je náběžná hrana proudu 0,8 ns, amplituda 15 A, hodnota proudu po 30 ns je 8 A a po 60 ns jsou to 4 A.[8]
Elektrostatický výboj se přímo do zařízení injektuje oblým hrotem, který končí polokoulí o průměru 8 mm. Pokud využijeme výboj vzduchem, tak se používá ostrý hrot (kužel). Vrcholový úhel musí být 25° až 40°. Tyto hroty jsou realizované jako výměnné.[8]
Při této zkoušce lze elektrostatický pulz aplikovat nepřímo do svislé vazební desky (VCP). Tato deska musí mít rozměry 0,5 x 0,5 m a musí být připojena vodičem s rezistory 470 kΩ, které se nacházejí na koncích vodiče.[8]
To, jaké výboje použijeme, závisí na zkoušeném zařízení. V této normě je po- psáno, zda aplikovat přímý výboj, nepřímý výboj, nebo výboj s použitím vazební roviny. Případně jak tyto 3 verze kombinovat.[8]
Množství elektrostatických výbojů je také definováno v normě. Při nepřímém výboji a při použití vazební roviny se aplikuje alespoň 10 výbojů. Mezi těmito vý- boji se doporučuje doba alespoň 1 s, nebo delší. Delší doba mezi jednotlivými výboji je někdy nutná pro zjištění stavu zařízení. V případě přímé aplikace se jedná o větší množství výbojů. Toto množství závisí případ od případu. Například při synchron- ním časování zařízení je vyžadováno více než 10 výbojů.[8]
Obrázek 2.1: ESD simulátor s oblým hrotem
Vyhodnocování tohoto druhu testu je vyjádřeno 4 úrovněmi. Před začátkem zkoušky je určena požadovaná úroveň odolnosti a požadovaná hodnota zkoušené- ho napětí.[8]
• Úroveň A je nejlepší výsledek testu. Při této zkoušce se výboj nijak neprojevil na funkci zařízení.
• Úroveň B - Pokud zařízení dosáhlo tohoto hodnocení, tak se v průběhu tes- tování restartovalo, vypnulo, nebo se snížil výkon zařízení, ale po ukončení zkoušky se zařízení opět zapnulo a vrátilo do správného funkčního režimu bez zásahu obsluhy.
• Úroveň C je podobná jako úroveň B. Jediným rozdílem je, že činnost zařízení musí obnovit obsluha.
• Úroveň D je nejhorší výsledek zkoušky. Zařízení je po vykonání zkoušky nefunkční, nebo se trvale snížil jeho výkon.
2.4.3 ČSN EN 61000-4-3 Vyzařované vysokofrekvenční elektro- magnetické pole - Zkouška odolnosti
Jedná se o zkoušky odolnosti vůči elektromagnetickému poli. Frekvenční rozsah vy- zařovaného pole je od 80 do 1000 MHz. Pole je vyzařováno pomocí antén, které mohou být totožné s anténami pro měření vyzařování rušení. Jediný problém by mohl být maximální výkon antény. Intenzita elektromagnetických polí se pohybuje od 3 do 10 V/m (Případně více). Z tohoto důvodu se doporučuje provádět tuto zkoušku v odstíněné komoře, které zabrání vniku náhodných polí z okolí a zároveň chrání zařízení a osoby vně komory.[1][5]
2.4.4 ČSN EN 61000-4-4 Rychlé elektrické přechodné je- vy/skupiny impulzů – Zkouška odolnosti
Podle této normy se testuje odezva zařízení na EFT/BURST. Jedná se o skupi- nu impulzů, které vznikají kvůli rychlým přechodovým dějům (například spínáním stykačů).
Norma předepisuje vrcholové napětí impulzů od 0,5 do 4 kV a frekvenci je- jich opakování 5 nebo 100 kHz. Tato frekvence by měla být uvedena v produktové normě. Nicméně opakovací frekvence 100 kHz je bližší realitě. Náběžná hrana by měla být 5 ns, doba poklesu impulzu na 50% amplitudy 50 ns. Impulzy se rychle opakují. Z frekvence opakování vyplývá doba trvání impulzu 200 µs (pro 5 kHz) nebo 10 µs (pro 100 kHz). Tyto impulzy tvoří skupiny impulzů. Skupina je dlouhá 0,75 nebo 15 ms (podle frekvence). Skupina tedy čítá 75 impulzů. Po skupině pulzů následuje poměrně dlouhá doba bez rušení 285 ms (pro 5 kHz) nebo 299,25 ms (pro 100 kHz).[9]
Tyto skupiny pulzů se navazbí na vodiče vedoucí do zařízení. Vazebními prostřed- ky, které se používají, jsou vazební a oddělovací síť (CDN) nebo kapacitní vazební kleště. Při rušení napájecích částí je použita vazební a oddělovací síť a pro signálo- vé a ovládací vstupy a výstupy zařízení se používá měření s kapacitními vazebními kleštěmi.
Vazební a oddělovací síť (viz obr. 3.6) je tvořena vazební a oddělovací částí.
Vazební část slouží k přenosu rušení do vstupů zkoušeného zařízení, ale zároveň
nesmí být ovlivněn generátor. Oddělovací část brání šíření rušení do napájecí nebo datové sítě.
Kapacitní vazební kleště jsou tvořeny 2 rovnoběžnými deskami (viz obr. 3.5).
Mezi těmito deskami je umístěn kabel, na který chceme navázat rušivý signál. Tyto kleště mají velkou výhodu oproti vazební a oddělovací síti, protože nemají žádné galvanické spojení s kteroukoliv částí EUT. Kleště jsou dlouhé jeden metr a široké 14 cm. Kabel se mezi deskami musí co nejvíce uzavřít, aby byla vazební kapacita co nejvyšší (bývá asi 50 - 200 pF).
Vyhodnocení výsledku zkoušky je totožné jako u testování podle normy ČSN EN 61000-4-2.
2.4.5 ČSN EN 61000-4-5 Rázový impulz – Zkouška odolnosti
Rázový impulz, který se anglicky označuje jako surge, vzniká spínacími přechodo- vými jevy v napájecí síti nebo přechodovými jevy v atmosféře. První ze způsobů může být zapříčiněn například různými síťovými poruchami nebo rezonančními ob- vody s tyristory a tranzistory. Rázové impulzy vzniklé v atmosféře jsou důsledkem přímého úderu blesku, nepřímého úderu blesku a průchodem zemního proudu blesku.
Zkušební napětí se aplikuje mezi vodiče nebo mezi vodič a uzemnění. Tyto pul- zy jsou pomalejší než v normě 61000-4-4. Generátor vytváří rázový impulz, který má náběžnou dobu napětí naprázdno 1,2 µs a dobu trvání 50 µs. Průběh proudu nakrátko má náběžnou hranu 8 µs a dobu trvání 20 µs. Doba trvání je dána, jako doba kdy průběh napětí přesahuje polovinu maximální hodnoty napětí.[10]
V závislosti na způsobu aplikace se používají různé vazební prvky. Pro vazbu mezi napájecí vodiče se používá kondenzátor 18 µF a pro vazbu mezi napájecí vodič a uzemnění se používá sériová kombinace kondenzátoru 9 µF a rezistoru 10 Ω. Pro propojovací vodiče se používají jiné vazební prostředky. Tyto vazební prostředky jsou obsaženy ve vazební a oddělovací síti na obrázku 9.[10]
Vyhodnocení výsledku zkoušky je totožné jako u testování podle normy ČSN EN 61000-4-2.
2.4.6 ČSN EN 61000-4-6 Odolnost proti rušením šířeným vede- ním, indukovaným vysokofrekvenčními poli
Tato norma vychází z normy IEC 1000-4-6. Norma v podstatě měří anténní fakto- ry kabelů. Pro vazbu se opět používá vazební a oddělovací síť. Do této sítě vysílá generátor rušivé signály o frekvenci 150 až 80000 kHz. Rušivý signál má podle poža- dované úrovně hodnoty od 1 do 10 V. Signál o této frekvenci a napětí je ale ještě před navazbením amplitudově modulován sinusovou vlnou o frekvenci 1 kHz do hloubky 80 %. V praxi vazba probíhá přes kabely připojené k EUT. Z tohoto důvodu se nor- ma týká pouze zařízení, která mají alespoň jeden vodivý kabel (včetně zemnícího vedení). Při zkoušce podle této normy se ještě využívá feritových EM-kleští pro od- dělení rušení. Obvykle je součástí těchto kleští proudová sonda pro měření velikosti rušení.[1]
Norma ČSN EN 61000-4-7 Všeobecná směrnice o měření a měřicích pří- strojích harmonických a meziharmonických pro rozvodné sítě a zařízení připojovaná do nich je vynechána úmyslně.
2.4.7 ČSN EN 61000-4-8 Magnetické pole síťového kmitočtu - Zkouška odolnosti
Odolnost vůči magnetickému poli se měří pomocí cívek v okolí zařízení. Intenzi- ty magnetických zkušebních polí se pohybují v rozpětí 1 až 100 A/m. Požadovaná intenzita magnetického pole je určena podle požadavků na zařízení. Například moni- tory a elektronové mikroskopy jsou velmi citlivé, a proto se testují nejnižší intenzitou 1 A/m což ve vakuu odpovídá magnetické indukci 1,26 µT. Naopak těžký průmysl a rozvodné sítě se testují intenzitou 100 A/m.[1]
Vyhodnocování této zkoušky je opět realizováno zhodnocením funkčnosti zaříze- ní.
Norma ČSN EN 61000-4-9 Pulsy magnetického pole - zkouška odolnosti a norma ČSN EN 61000-4-10 Tlumené kmity magnetického pole - Zkouš- ka odolnosti jsou normy, které jsou velmi podobné normě ČSN EN 61000-4-8.
Pro pulzní magnetické pole se vytváří intenzita magnetického pole až 1000 A/m.
Pro tlumené kmity magnetického pole jsou zkušební intenzity srovnatelné s normou ČSN EN 61000-4-8.
2.4.8 ČSN EN 61000-4-11 Krátkodobé poklesy napětí, krátká přerušení a pomalé změny napětí - Zkoušky odolnosti
V této normě jsou obsaženy způsoby testování odolnosti vůči poklesům a přerušením napájením a pomalé změny napětí. Tato norma se týká pouze zařízení, která jsou napájena z elektrické rozvodné sítě 50 Hz nebo 60 Hz a jejichž vstupní fázový proud nepřesahuje hodnotu 16 A. Veškeré poklesy mohou nastat při libovolném fázovém úhlu síťového napětí.[11]
Pro krátkodobé poklesy jsou určeny hodnoty poklesu na 40, 70 a 80 %. Trvání poklesu se pohybuje od doby 0,5 periody až po dobu 250 period. Zvolená hodnota a doba jsou určeny v závislosti na požadavcích na zařízení. Pro určitou třídu, které je určena v normě IEC 61000-2-4, je určeno více možností testování. Například doba trvání 250 period, ale pokles napětí jen na 80 % nebo trvání 10 period při 40 % napětí. Určitou možnost testování určuje norma IEC 61000-2-8.[11]
Doba trvání krátkých přerušení je standardně maximálně 250 period. Doba klesá- ní a stoupání napětí musí být skoková (i pro krátkodobé poklesy), proto je praktická realizace tvořena přepínáním. Reálná náběžná a sestupná hrana by měla být mezi 1 µs a 5 µs.
Pomalé změny napětí se v praxi mohou vyskytnout změnou zatížení sítě. Tato část normy je nezávazná. Po začátku testu je napětí skokově sníženo na 70 %. Po dobu jedné periody zůstává napětí na 70 % a dalších 25 period lineárně roste zpět na jmenovitou hodnotu napětí.[11]
Veškeré mnou uvedené doby trvání jsou uvažovány s frekvencí 50 Hz. Pro frek- venci 60 Hz je doby trvání stejná a mění se tedy počet period o 20 % (z 25 period na 30 period). [11]
Testování kolísání napětí není součástí této normy. Kolísání napětí je uvedeno v normě ČSN EN 61000-4-14.
3 Realizace pracoviště
Stavba laboratoře obnášela velké množství práce, která není obsahem mého studij- ního oboru. Na prvním místě bylo třeba sehnat místnost, která by byla vhodná pro umístění laboratoře. Dále bylo potřeba umístit do této místnosti měřicí stůl spolu s referenčními zemními rovinami a různými izolačními vrstvami.
3.1 Laboratorní stůl
Pro tyto testy bylo nutné mít stůl, který by byl vysoký 0,8 m[8] a splňoval podmínku, že nebude obsahovat žádný kovový spojovací materiál. Stůl musel být kompletně elektricky nevodivý. Podařilo se mi pořídit stůl, který nebyl dostatečně vysoký ani velký, ale neobsahoval žádné vruty nebo hřebíky. Na tento stůl se následně umístily dřevěné desky, které stůl zvýšily do požadované výšky a zvětšily pracovní plochu stolu. Délka pracovní desky je tedy 2 metry a hloubka stolu je 1,25 m. Jedinou nevýhodou je, že deska je na stole jen položená, tedy při velkém zatížení okraje stolu je možné desku stolu převrhnout.
3.2 Potřebné doplňky laboratorního stolu
Na laboratorní stůl bylo nutné pořídit referenční zemní rovinu, která tvoří povrch stolu. Další nutností byla zemní rovina na podlaze. Tento plech byl vybrán tak, aby přesahoval průmět stolu do podlahy ve všech směrech alespoň 0,1 m. Tento zemní plech má velikost 3 x 1,5 m.
Referenční zemní rovina položená na zemi je kvůli bezpečnosti připojena k zem- nímu ochrannému vodiči a celý plech je umístěn pod PVC podlahovým povrchem.
Pro spojení zemních rovin na stole a na zemi se nabízelo více variant. Požadavkem bylo masivní spojení, aby nevznikla mezi těmito rovinami kapacita. Jelikož je nutné toto spojení v případě testování ESD odpojit, tak musel být tento spoj realizovatelný jako odpojitelný. Nabízela se varianta připojení kovovým páskem, nebo splétaným vodičem. Splétaný vodič se základně vyrábí do délky 0,5 m, takže bych musel spojit 2 kusy. Dalším problémem je vysoká cena splétaného vodiče. Z tohoto důvodu jsem zvolil pevný pásek. Tyto pásky jsou umístěny na obou bočních krajích stolu a jejich připojování je realizováno krátkými kousky pásku s otvory pro spojovací materiál, protože jinak by docházelo k únavě kovu neustálým ohýbáním a dříve nebo pozdě- ji by se vodič ulomil. Toto spojení bylo velmi levné a v budoucnu jej bude možné
nahradit nějakým lepším způsobem.
Pro zkoušky ESD se zemní roviny spojují pomocí vodiče s rezistory umístěnými co nejblíže koncům vodiče. Rezistory musí mít podle normy[8] velikost 470 kΩ. Ty- to rezistory jsou speciální, protože jsou dimenzovány na napětí 10 kV. Maximální napětí, které lze pomocí generátoru elektrostatického výboje vytvořit je 16,5 kV.
V tomto hraničním teoretickém případě budou rezistory zatíženy 8,25 kV. Rezistory jsem připájel co nejblíž konektoru. Jako konektor jsem zvolil standardní banánek o průměru 4 mm. Na konci vodiče je přes rezistor samozřejmě přetažena teplem smršťovací bužírka. Jelikož se bude tento vodič často odpojovat, tak se bojím o je- ho životnost, protože je k zemní referenční rovině připevněn napevno a nejslabším místem je vývod rezistoru, který není dimenzován na velké mechanické namáhání.
Různé zkoušky vyžadují různě tlustou izolační vrstvu mezi EUT a referenční zemní rovinou na stole. Zkoušky ESD vyžadují tenkou nevodivou podložku (1 mm), kterou jsem realizoval ze stejného materiálu jako je podlahova krytina. Pro testy EFT/Burst je nutné mít mezi EUT a zemní rovinou izolační vrstvu velkou 0,1 m.
tato vrstva se běžně řeší nějakým druhem polystyrenu nebo dřeva. Má volba padla na extrudovaný polystyren Styrodur, který se používá ve stavebnictví jako teplotně izolační vrstva. Pro zvýšení pevnosti povrchu jsem na Styrodur umístil část podla- hové krytiny z PVC.
Poslední nutnou podmínkou pro možnost zahájení testování ESD bylo vyrobit svislou vazební desku (VCP) o velikosti 0,5 x 0,5 m, která je potřebná pro testování odolnosti vůči nepřímým výbojům. Tato deska je také připojena vodičem se dvěma rezistory 470 kΩ k referenční zemní rovině na podlaze.
Obrázek 3.1: Pracoviště pro testování EMS na TUL
3.3 Přístroje v laboratoři
V laboratoři se nachází několik zařízení, která slouží pro testování elektromagnetické susceptibility. V této kapitole se těmto zařízením věnuji.
3.3.1 Simulátor elektrostatického výboje
Dito ESD simulator od firmy EM Test je simulátor nižší třídy. Tento simulátor vytváří maximální napětí 16,5 kV. Pro testy dle normy 61000-4-2 je maximální po- žadovaná hodnota napětí 15 kV. Z tohoto důvodu je tento simulátor plně dostačující.
Lepší generátory vytvářejí napětí až 30 kV. Takto vysoké napětí se používá pro spe- ciální a vojenské aplikace. Někdy se pro tyto testy využívá norma ISO 10605, která je v mnoha ohledech podobná a lze podle ní testovat tímto simulátorem.
Součástí zařízení jsou 2 vybíjecí hroty. Špičatý hrot pro přímé výboje a oblý hrot pro nepřímé výboje. Simulátor je napájen akumulátorem LiFePO4. K akumulátoru je k dispozici i nabíjecí adaptér s připojením do standardní elektrické rozvodné sítě. Dle dokumentace umožní kapacita akumulátoru více než 70000 výbojů při 16,5 kV[12].
Velmi důležitou součástí je vodič pro připojení k zemnímu potenciálu. Tento vodič musí být vždy připojen, aby uzavíral elektrický obvod. Při nehodě by se mohl obvod uzavřít přes osobu obsluhující zařízení a způsobit zranění.
Pro určené body se aplikuje alespoň 10 výbojů obou polarit. Testování začíná na nejnižším napětí dle normy (2 kV dle ČSN EN 61000-4-2). Výboje nesmí mít vyšší frekvenci opakování než 1 Hz. Při první změně funkce zařízení musí být test ukončen, aby nebylo zařízení poškozeno nebo více poškozeno.[8]
Po ukončení zkoušky je do paměti simulátoru uložen výsledek. Tento výsledek lze do PC přesunout pomocí optického výstupu.[12]
Obrázek 3.2: Simulátor elektrostatického výboje[12]
3.3.2 Multifunkční generátor rušení
Asi nejkomplexnějším zařízením pro testování EMS je generátor. Laboratoř obsahuje generátor NX5 Compact UCS 500N5, který je opět od firmy EM Test. Tento ge- nerátor má možnost generovat více různých rušivých signálů, kterými jsou EFT/B, surge, signály pro generování magnetického pole a signál pro variak, který podle tohoto signálu generuje poklesy a výpadky napájení. Generátor obsahuje oddělova- cí síť pro zamezení šíření rušení do sítě a část pro vazbu na napájecí vodiče podle norem ČSN EN 61000-4-4 a 5.[13]
Zařízení má možnost generovat výsledný protokol včetně firmy, zařízení atd.
Protokol o zkoušce lze přenést do PC na USB flash disku. Komunikace s PC může probíhat po ethernetu, USB a optickém vláknu. Počítač může být v této komunikaci nadřazeným prvkem a ovládání generátoru může být vzdálené. Nastavení a ovládání je realizováno především pomocí dotykového displeje.
Generátor obsahuje i bezpečnostní obvod, který v případě rozepnutí zabrání ge- nerátoru v zapnutí testu. Dalším obsaženým obvodem je signalizace. Tento obvod je vhodný pro zapojení signalizace zapnutého testu. Při testech je napájení vedeno skrz generátor z důvodu synchronizace. Do generátoru vedou 4 vodiče, protože va- riak vytváří 2 fázová napětí, mezi kterými následně přepíná. Svorky jsou označeny PF1, PF2, N a PE. Výstupní svorky napájení jsou tvořeny 3 zdířkami označenými standardě L, N a PE. Další výstupní svorky generátoru jsou pro EFT/B a surge.
svorka pro EFT/Burst je vpředu a je tvořena koaxiálním výstupem s impedancí 50 Ω. Pro surge jsou vzadu umístěny 2 zdířky HV a COM. Pro naše testování je důležitý také výstup 0 - 10 V pro variak, který je umístěný na zadní straně přístroje.
Obrázek 3.3: Multifunkční generátor rušení[13]
3.3.3 Variak
Největším a nejtěžším zařízením v laboratoři je variac-NX 1-260-16 od firmy EM Test. Všechna zařízení jsou od stejné firmy kvůli lepší kompatibilitě. Variak
slouží k testování odolnosti vůči poklesům a přerušení napájení. Řízení poklesů je realizováno signálem 0 - 10 V, který vytváří generátor NX5. Maximální proud vari- akem je 16 A.
Veškeré konektory, pojistky a vypínač jsou umístěny na zadní straně variaku.
Napájení variaku je realizováno jednofázovou zástrčkou CEE. Výstup z variaku je realizován standardními banánky o průměru 4 mm. Výstupem jsou 4 vodiče, který- mi jsou PF1, PF2, N a PE. Uvnitř variaku je fázový vodič rozdělen na PF1, který není nijak ovlivněn, a PF2, kde je hodnota výstupního napětí dána řídícím napě- tím z generátoru. Zajímavostí je, že jištění variaku musí být dimenzované na proud 39 A po dobu 3 s, protože při zapnutí se musí transformátor uvnitř variaku nabu- dit. Nastavení napětí PF2 uvnitř variaku je realizováno pomocí motoru na jezdci autotransformátoru.[14]
Obrázek 3.4: Variak ze zadní strany
3.3.4 Kapacitní vazební kleště
Kleště CCI od společnosti EM test slouží k vazbě rušivého signálu EFT/Burst na signálové vodiče. Pokud by nebyla k dispozici vazební síť, která je součástí generá- toru, tak slouží kleště i pro napájecí vodiče. Testováním EFT/B se zabývá norma ČSN EN 61000-4-4.
Kapacitní vazební kleště mají zdířku pro připojení rušivého signálu z generátoru NX5. Délka kleští je 1 m a maximální průměr kabelu je 40 mm. Tento kabel je nutné co nejvíce sevřít, aby byla vazební kapacita co nejvyšší. Pro ověření funkce a kalibraci je součástí kleští ohebná deska obsahující měděnou folii o tloušťce menší než 0,5 mm. Dále je dostupný adaptér z banánku na koaxiální SHV konektor. Tento adaptér slouží k připojení zatěžovacího rezistoru 50 nebo 1000 Ω. Cílem tohoto zapojení je možnost připojení osciloskopu přes tento rezistor, který sníží napětí.
Napětí je poté měřitelné osciloskopem.[15]
Obrázek 3.5: Kapacitní vazební kleště[15]
3.3.5 Vazební a oddělovací síť
Vazební a oddělovací síť CNV 504N1 od firmy EM Test je určena pro vazbu rušivého signálu typu surge na datové a signálové vodiče. Rušivý signál se vytváří v generátoru NX5. Tímto testem odolnosti se zabývá norma ČSN EN 61000-4-5. Tato síť umožňuje maximální rušivé napětí 4 kV a průchozí proud až 1 A. Vazební kapacity sítě slouží pro vazbu na datové a signálové vodiče. Maximálně lze testovat až 4 vodiče. Podle propojení na krytu sítě si obsluha zvolí způsob vazby. Výběr je z vazby 0,5 µF sériově s rezistorem 40 Ω nebo bleskojistka (90 V) sériově s rezistorem 40 Ω. Tato síť umožňuje i vazbu tlumené sinusové vlny podle ČSN EN 61000-4-12.[16]
Obrázek 3.6: Vazební a oddělovací síť
4 Testování průtokoměru EESA
Pro první zkoušky jsem získal magnetoinduktivní průtokoměr MP400CM od firmy EESA. Sériové číslo tohoto průtokoměru je 2009/465909.
4.1 Testy ESD
Nedohledával jsem, jaké konkrétní hodnoty by měl průtokoměr splňovat, a proto jsem zkoušel od nejnižších hodnot do selhání zařízení.
Pro přímý výboj zařízení odolalo výboji 2 kV. Tento výboj jsem aplikoval na 4 šrouby umístěné na čelní straně kolem displeje a na matky na zadní straně. Při kontaktním výboji 4 kV začal displej zobrazovat nesmysly.
Obrázek 4.1: Příklad chyby zařízení
Při výboji vzduchem odolalo zařízení výboji 2 kV. Vyšší třídu již zařízení nespl- nilo (4 kV).
Obrázek 4.2: Testování průtokoměru EESA výbojem vzduchem
Poslední testovaný způsob byl přímý impulz na vodorovnou vazební desku a svis- lou vazební desku. Při vazbě na svislou vazební desku odolalo zařízení výboji 4 kV.
Toto napětí odpovídá třídě 2. Ovšem u jiných testů odolalo zařízení výbojům pou- ze třídy 1. Když zařízení přestalo správně pracovat, tak následně samo obnovilo správnou funkci (bez zásahu obsluhy).
Obrázek 4.3: Testování průtokoměru EESA výbojem na svislou vazební desku
4.2 Testy EFT/Burst
Pro testy rychlých přechodových jevů EFT/B byla použita vazební a oddělovací síť uvnitř multifunkčního generátoru NX5 a vazba byla prováděna na napájecí vodič průtokoměru. Pro napětí 500 a 1000 V byly testy splněny. Zařízení nesplnilo testy
Obrázek 4.4: Testování odolnosti zařízení vůči EFT/B
Z tohoto měření jsem vygeneroval protokol o testování, který je uveden na ná- sledujícím obrázku.
Obrázek 4.5: Část protokolu z testování EFT/B
Ohledně rychlých přechodových jevů jsem naměřil rušivý impulz. Pro toto měření jsem použil osciloskop Rigol DS1102CD (SN: DS1102000000481) Generoval jsem impulz 1 kV. Tento impulz má mít dle normy, při zatížení 50 Ω, maximální napětí s tolerancí ±20 %, šířka impulzu 50 ns s tolerancí -15 ns až +100 ns a doba náběhu 5±1,5 ns.[9]
Obrázek 4.6: Změřený impulz EFT/B 1 kV
Tento impulz odpovídá normě, kromě parametru maximálního napětí. Tato ne- přesnost je způsobena tím, že impedance osciloskopu je 1 MΩ. Normou požadovaná impedance je 50 Ω. Tvar impulzu je navíc ovlivněn parazitní kapacitou sondy a os- ciloskopu.
4.3 Testy rázového impulzu (surge)
Tyto testy jsem dělal ve 3 zkušebních úrovních a to 500, 1000 a 2000 V. Zařízení odolalo tomuto druhu rušení i při napětí 2000 V a splňuje tedy třídu odolnosti 3. Vyšší napětí jsem netestoval, protože bych mohl zařízení nenávratně poškodit.
Špičkový proud do zařízení byl až 35 A (tuto hodnotu změřil generátor). Vzhled stolu je stejný jako na obr.4.4. Z tohoto důvodu neuvádím další obrázek. Jediným rozdílem je červené podsvícení displeje generátoru.
Pomocí sondy 1:100 jsem změřil výstupní rázový impulz z generátoru. Ideálně by měl mít impulz maximální napětí ± 10 %, náběžnou hranu 1,2 µs ± 30 % (1,67 * 30-90 % z maximálního napětí) a dobu trvání 50 µs ± 20 % (doba nad 50 % z maximálního napětí). [10] Námi generovaný impulz měl maximální napětí 500 V
Z měření vidíme, že maximální napětí bylo 544 V, což je v toleranci normy. Ná- běžná hrana nebyla měřena správně, ale doba bez vynásobení konstantou 1,67 od-
povídá požadavkům normy. Doba trvání rázového impulzu byla změřena 47,2 µs.
Tato odchylka je 5,6 %. Tento impulz tedy normu ČSN EN 61000-4-5[10] splňuje.
Obrázek 4.7: Měření náběžné hrany Surge 500 V
Obrázek 4.8: Měření trvání Surge 500 V
4.4 Testy kvality napájení
Zařízení bylo testováno dle normy ČSN EN 61000-4-11 na krátké poklesy napájení a krátké přerušení napájení. Zařízení v těchto testech uspělo. Neproběhl restart zařízení.
Následně jsem provedl měření poklesů napájení na osciloskopu. Měřil jsem pokles na 40 % po dobu 10 period, pokles na 70 % po dobu 25 period a výpadek jedné poloviny periody.
Obrázek 4.9: Měření poklesu na 40 % po dobu 10 period
Tyto výpadky vytváří generátor s variakem velmi přesně. Pokles vychází v prv- ním případě na 44 % a v druhém případě na 72,6 %. Měřil jsem výstup z generátoru zatížený pouze vstupem osciloskopu (1 MΩ). Z měření je patrné velmi přesné pře- pínání v průchodu napětí nulou.
